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Aufgabe - Mehrfachintegrale:

Berechnen Sie durch Integration die Fläche eines Kreises mit Radius R, dessen Mittelpunkt im Koordinatenursprung liegt.

Nutzen Sie dafür:

a) Kartesische Koordinaten:

\( A=\int \limits_{?}^{?} \int \limits_{?}^{?} 1 \mathrm{dyd} \)

blob.png


Hilfestellung:

\( \quad \int \sqrt{R^{2}-x^{2}} \quad \mathrm{~d} x=\frac{x}{2} \sqrt{R^{2}-x^{2}}+\frac{R^{2}}{2} \arcsin \frac{x}{R}+c, \quad \mathrm{R}= \) const.

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Aloha :)

Wir vereinfachen die Situation, indem wir die Symmetrie ausnutzen. Wir brauchen nur die Fläche des Viertel-Kreises rechts oben zu bestimmen und das Ergebnis mit 4 zu multiplizieren. Das hat den großen Vorteil, dass wir nur den Fall berechnen müssen, in dem sowohl \(x\) als auch \(y\) postitiv sind.

$$F=4\cdot\!\!\!\!\iint\limits_{\text{Viertelkreis}}\!\!\!dx\,dy$$

Zur Beschreibung dieses Viertel-Kreises können wir zunächst \(x\) aus dem Intervall \([0;R]\) frei wählen. Halten wir dieses \(x\) fest, können wir von \(y=0\) aus bis zu \(y=\sqrt{R^2-x^2}\) nach oben laufen, bevor wir an den Rand des Kreises stoßen. Die Integrationsintervalle sind also:$$x\in[0;R]\quad;\quad y\in[0;\sqrt{R^2-x^2}]$$

Damit können wir das Integral für die Fläche formulieren:$$F=4\int\limits_{x=0}^R\int\limits_{y=0}^{\sqrt{R^2-x^2}}dx\,dy=4\int\limits_{x=0}^R\left(\int\limits_{y=0}^{\sqrt{R^2-x^2}}dy\right)dx=4\int\limits_0^R\left[y\right]_{y=0}^{\sqrt{R^2-x^2}}dx=4\int\limits_0^R\sqrt{R^2-x^2}\,dx$$Das verbliebene Integral ist als Hilfestellung angegeben:

$$F=4\left[\frac x2\sqrt{R^2-x^2}+\frac{R^2}{2}\arcsin\frac xR\right]_{x=0}^R$$$$\phantom{F}=4\cdot\left(\left(\frac R2\underbrace{\sqrt{R^2-R^2}}_{=0}+\frac{R^2}{2}\underbrace{\arcsin\frac RR}_{=\arcsin1=\frac\pi2}\right)-\left(\underbrace{\frac 02}_{=0}\cdot\sqrt{R^2-0^2}+\frac{R^2}{2}\underbrace{\arcsin\frac 0R}_{=0}\right)\,\right)$$$$\phantom{F}=4\cdot\left(\,\left(0+\frac\pi4R^2\right)-\left(0+0\right)\,\right)=4\cdot\frac\pi4R^2=\pi R^2$$

Avatar von 152 k 🚀

cool, besten dank !

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Der Ansatz lautet wie folgt:

$$\int \limits_{-R}^{R} \int \limits_{-\sqrt{R^2 - x^2}}^{\sqrt{R^2 - x^2}} 1 ~ dy ~ dx$$

Schaffst du es jetzt selber zu vereinfachen und zu berechnen?

Avatar von 488 k 🚀

Ehrlich gesagt nicht. Kannst du mir evtl. noch weiter helfen?
Danke

f(y) = 1

Wie lautet davon die Stammfunktion

F(y) = ...

und wie berechnet man damit das (innere) bestimmte Integral

...

also würde πR2 ergeben

\( \int \limits_{-R}^{R} 2 \sqrt{R^{2}-x^{2}} d x \)

wie muss ich das in Taschenrechner eingeben oder auflösen?

wie muss ich das in Taschenrechner eingeben oder auflösen?

Der Taschenrechner macht das nicht. Die 2 als Faktor ziehst du vor das Integral. Nun wurde dir bereits von der Wurzel die Stammfunktion gegeben. Also musst du mit der dann auch wieder das bestimmte Integral berechnen.

Aber du brauchst auch nicht mehr selber Nachdenken, weil Tschakabumba dir das ja schon abschreibfertig aufgeschrieben hat.

ok, danke für die Hilfe

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